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Principio de funcionamiento

Los primeros tiristores IGBT fueron modificados para ser capaz de encender con una orden de voltaje. Considerar es añadido el circuito equivalente BJT de un tiristor y un transistor MOSFET entre el colector y el emisor del NPN (transistor inferior). La puerta del MOSFET se convierte en este caso el la puerta IGBT, mientras que lo que era la puerta del tiristor que ya no se usa.

Mediante la aplicación de una tensión externa entre la puerta y el cátodo activa el tiristor, ya que es invocado por la corriente PNP, que a su vez envía una corriente en la base de NPN y el conjunto se lleva a la auto-sostenible (enclavamiento). el enclavamiento, normal para un tiristor, Aquí es indeseado, debido a que se quiere controlar el IGBT tanto al comenzar, por la simple eliminación de tensión a la puerta, como en un MOSFET. Se ha intentado que el transistor NPN con características de amplificación de corriente (h_Fe) deliberadamente de mala calidad, con el fin de hacer que sea difícil de enclavamiento. Por medio de mala calidad una menor ganancia mucho 1, el más bajo posible: a pesar de esta medida, a menudo sucedía que el enganche se produce de todos modos. en particular, Era frecuente en condiciones muy duras, tales como un cortocircuito: el componente se mantuvo activa sin la posibilidad de apagarlo, y que significó su destrucción.

arreglo 2 BJT NPN PNP e all'interno dell'igbt (conexión equivalente a un tiristor)

Se retira a continuación de todos los transistores NPN, al convertirse en el IGBT, ya que es actualmente, configuración de un Darlington entre un PNP y un MOSFET. El dispositivo que se obtiene tiene la gran velocidad de MOSFET de conmutación típica y las bajas pérdidas de BJT plazo.

Esquemática de la evolución del IGBT su símbolo gráfico

Para traer en la conducción del IGBT es necesario aplicar y mantener una tensión entre la puerta y el cátodo, y retirarlo para el apagado, cómo mandar un transistor: Sin embargo, aquí el piloto está en tensión. Las tres terminales externos se renombraron, la similitud con un BJT: en el cátodo emisor, mientras que el ánodo se ha convertido en el coleccionista. la portón Permaneció que, pero internamente se conecta de forma diferente.

A continuación, vamos a analizar los fenómenos que se producen durante la transición de encendido y apagado del IGBT: el estudio es válido tanto para una configuración de helicóptero o un pierna inversor, con carga inductiva. Durante este tipo de eventos tiene:

• Encender: ignición (problemas de sobrecorriente instantánea)

• Turn-off off (problemas de sobretensión, fenómeno de la cola actual).

Las formas de onda relativas a la conmutación del IGBT de una carga inductiva se esquematizan en la forma siguiente.

Esquematización transitoria de encendido (encender) y fuera (apagar) dell'igbt.

Experimentación de la Puerta

Se dice que la aplicación de un voltaje simple en la puerta controla la conducción del componente, pero esto es cierto régimen de un solo. De hecho, están inevitablemente presentes de capacitancia parásita entre la puerta y el colector y el emisor: se inevitablemente aislado por una capa de óxido a partir de estos otros dos terminales. entonces, cada vez que se da un comando, usted tiene que llenar o vaciar estas capacidades: si yo quiero hacer rápidamente, para reducir al mínimo el tiempo de conmutación y las pérdidas asociadas, Debe ser utilizado fuertes corrientes, incluso del orden de 10 UN. Para enviar estas corrientes en la puerta, también sólo se limita a los intervalos de conmutación, se emplea una par de transistores BJT en una simetría complementaria (NPN + PNP), cortes robustos. Dando a la impulsión de la puerta de manera que no se aprueben mediante la creación de problemas, especialmente cuando se desea controlar la prohibición del IGBT. Considere L IGBT inserta en una pierna de un puente inversor monofásico clásico. Recordando poca corriente de la puerta (es: 100 mamá), el IGBT, sin embargo, tiende a interdirsi, y la corriente de carga, que es óhmico-inductiva, Él debe ir a por la fuerza en el diodo de rueda libre superior.

tales diodo, aunque no al instante, se mueve a correr lo suficientemente rápido (Es del tipo rápido). Lo que es preocupante es la derivado de alta tensión de (dv / dt) impuesta por esta corriente de recirculación: que sí pasa a la capacidad parásita C_GC (compuerta de colector) una corriente igual a la invocada por puerta.

Esta corriente fluye a través de la capacidad parásita va a conducir el IGBT, mantener un voltaje constante derivada, con un alargamiento un considerable tiempo de conmutación.

Experimentación de la puerta y los parámetros parasitarias

También debe tener en cuenta que, Además de las capacidades parásitas, También están presentes inductancias parásitas en el circuito de control de puerta, capaz de resonar con las capacidades y el gatillo fluctuaciones en el voltaje en la puerta. estas oscilaciones, aunque silenciado, Ellos pueden tener altos picos capaces de encender de nuevo el IGBT, de modo que se apaga en el hipo, con gran aumento de las pérdidas de conmutación. a la inversa, al comando de ignición, las oscilaciones pueden presentar la puerta voltajes más altos a los soportable por la capa de óxido que lo aísla de la pastilla de silicio internamente.

en el voltaje de la puerta, con el comando incierta

Por estas razones, siempre hay una resistencia de amortiguación en serie al portón, lo que a menudo es diferente para el comando de encendido y el apagado. esto debería ser elegido con un compromiso entre las pérdidas por resistencia en el mismo (R Bassa) y la amortiguación necesaria para reducir las pérdidas de conmutación (R alto), a valor a través de la ficha técnica. Con las precauciones que se describen ahora es posible obtener una bastante rápido descenso de la tensión de puerta, el comando OFF: esto presenta un ligero descenso "paso”, que sería muy pronunciada si el comando no se decidió lo suficientemente.

Medidas para la limitación de las sobretensiones

Cuando un dispositivo de encendido se apaga rápidamente, la energía acumulada en la inductancia de dispersión se disipa en el estática conmutador. Esto provoca una sobretensión a través del dispositivo. El delta transitorio de tensión de amplitud es directamente proporcional al valor de la inductancia de dispersión y a la derivada de la corriente. Para limitar tanto, es necesaria la sobretensión para reducir la inductancia de fuga.

• Limitación de inductancias parásitas de dispersión por apropiado trazado de los aductores actuales La inductancia de fuga debido a los aductores actuales depende de cómo éstas se realizan; en particular, se observa que es proporcional a su longitud, que por lo tanto debe limitarse. Otro recurso consiste en la realización de los aductores por medio de la superposición de hojas de cobre y aislados entre sí, a fin de crear un bucle que subtiende un área pequeña, Pero, ¿qué tipo de líneas eléctricas largas, a la que corresponde una pequeña inductancia.

• Limitación de sobretensiones a través de condensadores de baja impedancia de la serie coloca los terminales del IGBT Haciendo referencia a la desconexión del IGBT en un inversor de puente, se ve que la corriente de carga tiende a ir en el diodo de rueda libre.

También debe tener en cuenta las inductancias parásitas, considerable, Tienen las conexiones aductores de potencia al mismo IGBT, la cual es típicamente un módulo, así como distribuido sobre toda la corriente continua del bus de potencia del inversor. La presencia de estas inductancias genera sobretensiones en el IGBT (en V_CE ) y también para que vibre en resonancia con el capacitancias parásitas presente.

La inserción adecuada de un condensador impide que el IGBT "ve" las inductancias de fuga de aguas abajo y aguas arriba de la propia condensador, por lo que es recomendable la instalación de los condensadores lo más cerca posible a la estática

Con un condensador de filtro tipo electrolítico, por lo que gran capacidad, que podría servir como una primera atenuación de tales sobretensión: También, sin embargo, presenta una serie L. Por lo tanto, se; No conveniente postular una única, mamá más en paralelo, a fin de reducir la inductancia serie global y hacerlos capaces de absorber la sobretensión en el IGBT a través de los tránsitos de carga eléctricos apropiados. Incluso su conexión IGBT, sin embargo, debe ser de baja inductancia: Por consiguiente, deben ser lo más cerca posible, ofrecer una pequeña área entre el conductor hacia delante y una vuelta, así como para asegurarse de que el lazo que se forma por las corrientes de Foucault es el más largo posible. Para lograr esto, teniendo también en cuenta las dimensiones físicas de los componentes, la única forma es utilizar láminas de cobre, que se conectan directamente a los terminales. Las dos hojas (ir + regreso) Ellos están aislados unos de otros por una capa delgada de polipropileno o mylar, o incluso de fibra de vidrio (1 mm) para altos voltajes; Se proporcionan Recortes apropiadas para los pernos de conexión. Para reducir aún más las inductancias parásitas, A veces se pone otro condensador, reducción de la capacidad para contener las dimensiones, directamente en los terminales de la IGBT. Usted está así obtenida la amortiguación del pico de tensión.

Aductores actuales para el IGBT

Limitación de surge a través de amortiguador

El amortiguador es un circuito adicional que se utiliza para reducir las tensiones en los elementos de potencia. El propósito del amortiguador es mejorar la transición, supresión de sobrecorriente, sobretensión, o la mejora de los derivados de tensión y corriente. El amortiguador amortigua el aumento de la cifra en la fase de apagado, la reducción de las pérdidas de conmutación relativos. II del condensador amortiguador se drena por completo encendido red y desvío Reloaded neta: esto reduce el dv / dt sull'igbt durante el apagado, lo que permite una conmutación suave y reducir las pérdidas.

Los amortiguadores RCD

Limitación de sobretensiones con la abrazadera

La contramedida de los condensadores electrolíticos típicamente no es suficiente para proteger el IGBT, Por lo tanto, se hace necesario otro protección, este circuito de fijación (fijador). La abrazadera se compone de un condensador conectado en paralelo al IGBT, pero a través de un diodo rápido con respecto al colector. Tal condensador también está conectado a la tensión V positivo_CC a través de un resistor, que mantiene la carga a este valor de voltaje. Si la tensión V_CE SUPERA V_CC, las conductas de diodos abrazadera y establece el V_CE a la del condensador, ossia y V_CC, el tiempo suficiente para llevar a cabo la dell'iverter diodo de recirculación, lo que elimina el problema. Después de la intervención de la abrazadera, pero antes de la conducción del diodo de recirculación, la tensión tiende a aumentar debido; parte de la corriente de carga va a terminar en el condensador abrazadera: debe, por tanto, un dimensionamiento correcto de los tres componentes de seguridad. El diodo abrazadera, así como el condensador, En realidad, están formados por varios componentes en paralelo, montado en una placa de circuito impreso de doble cara, en tal una forma que pueda ser también montado muy cerca de los terminales del IGBT a ser protegidos.

Abrazadera de circuito y su funcionamiento

El problema de la protección contra sobrecorriente y desaturación

Los IGBT son prácticamente improteggibili por fusibles: en el tiempo requerido para que un fusible de intervenir, la unión del componente será dañado ya irremediablemente. Y a continuación, para una intensidad de sistema fiable necesaria para la limitación de corriente. En la realización de un circuito de protección debe tener en cuenta algunas condiciones que maximizan la eficiencia del circuito de protección y que minimicen los efectos sobre otros circuitos. Con el fin de obtener las características de seguridad que desee sin sacrificar otras características, el circuito de necesidad de protección, todo lo posible, cumplir las siguientes condiciones. En primer lugar, el circuito de protección se debe apagar el IGBT, antes de que destruya, cada vez que vienen a respetar las condiciones de trabajo de dispositivo. también, debe limitar la corriente máxima de un fallo y reducir las tensiones a las que el dispositivo y todo el sistema cuando grandes corrientes circulan. II dispositivo debe ser desactivada con mayor rapidez si no hay limitación de la corriente máxima de falla.

Contornos de transductores de corriente pueden ser utilizados en la electrónica de potencia

La monitorización de la corriente requiere el uso de transductores adecuados, tal como:

– Derivación

Consiste en una resistencia de valor conocido para ser insertado en serie con el conductor a través del cual pasa la corriente que se desea medir. el valor de la corriente II, DC o AC, Se calcula indirectamente, de acuerdo con la ley de Ohm, midiendo la tensión en la resistencia shunt. sin embargo, Este transductor no tiene aislamiento galvánico entre los circuitos de potencia y de medición. también, el nivel de la tensión de derivación está flotando a tierra. por lo tanto, su uso no es fácilmente practicable.

– TA

la O (transformador amperométrico), Es un transformador de medición realizado con las precauciones necesarias para minimizar los errores en la medición actual. Se asegura el aislamiento galvánico entre los dos circuitos, pero no es sensible a la componente continua de la corriente a medir.

– sensor de efecto Hall

La única otra solución, Es dado que también es necesario medir la componente continua de la corriente, Es utilizar una Sensor de efecto Hall. Este sensor es un pequeño dedo de material semiconductor, en la que se desliza una corriente constante I. UN 90 grados con la corriente, el sensor es golpeado por un campo de inducción magnética B, mientras que en otro piso, un 90 grados con ambos de los anteriores, detecta una tensión proporcional a, a través de una constante, inducción B es que la corriente I.

Esquema de principio de un sensor de efecto Hall actual

El campo B es generado por la corriente que fluye en el componente, que es detectada por un acoplamiento magnético (pequeño toroide), y la extensión de éste se remonta a la corriente en el componente. El sensor Hall también es sensible a componentes de corriente continua y tiene la ventaja de no estar conectado galvánicamente al circuito de potencia que se está midiendo.

protección contra sobretensiones y desaturación

– control de la corriente instantánea analógica y

El primer problema es detectar la corriente que fluye en el IGBT a través de un transductor. La señal de corriente se utiliza para un controlador de bucle cerrado, PID (Derivada Integral Proporcional) o tipo de histéresis (ENCENDIDO APAGADO).

– limitación de sobrecorriente mediante la detección y el bloqueo de IGBT

El regulador, además de mantener la corriente en la carga se asemeja a una sinusoide de predeterminado valor efectivo, imprescindible en cualquier caso, si la corriente excede incluso por un instante, la corriente máxima admisible, ordenando el cierre inmediato de todos los IGBT. Esta condición de parada a veces es para un período de red, pero a menudo significa hasta nueva orden desde el exterior, para la seguridad.

– Comprobación del estado de la desaturación del IGBT (Monitoreo de V CE )

Tenga en cuenta que el detector de efecto Hall no está colocado en serie con el IGBT, pero en serie con la carga del inversor. Así, puede haber casos en los IGBTs están en marcado encima de la cabeza sin esta carga de interés actual. Por ejemplo, si uno de los IGBT, a un fallo, Se convierte en un cortocircuito permanente y lo que no se detecta, poder del otro IGBT de la misma rama se cortocircuita el circuito intermedio, con consecuencias destructivas para todo el convertidor y el peligro para los que estaban cerca. Este fallo no implica la carga y por lo tanto no es detectado por el sensor de corriente. por lo tanto, Si el fallo se produce aguas arriba del transductor de corriente con el método ilustrado arriba ya no es eficaz y es necesario controlar la desaturación del IGBT. Este método consiste en el control de la V_CE. de hecho, durante el corto toda la tensión del circuito se produce al IGBT y los líderes V_CE divergen dal “de bajo voltaje en estado”, hacia la tensión de alimentación El circuito de protección debe por lo tanto detectar la tensión de V_CE y compararlo con un valor de referencia. Si se supera la referencia, interviene lógica de control en el circuito de control de la válvula, requiriendo de apagado y posterior potencia inhibidora.

Por tanto, es necesario integrar el regulador de corriente con la supervisión de la tensión colector-emisor a través de cada IGBT: un incremento respecto al 2 V de este voltaje, cuando el IGBT está en el estado ON, Es un síntoma de fallo probables. Este síntoma también puede ocurrir debido a fallas en el par de transistores que impulsan la puerta, por lo que es una protección en la mayoría. En pocas palabras un sensor a la cabeza de los IGBT no sería fácil, porque inmediatamente presentaría un problema de escala:

en el estado de EN, V_CE vale la pena unos pocos voltios, Y aquí debo evaluar sus aumentos repentinos;

en el estado de APAGADO, V_CE sal en vez de poder, o 400, 500, 700 V.

Con una escala del instrumento dimensionado para alta potencia, es difícil apreciar con suficiente precisión (es decir, tal como para asegurar la protección y al mismo tiempo evitar disparos espuria) los cambios en V CE en el estado ON. Por lo tanto, se prepara un circuito más complejo, sólo miden los cambios que afectan, con un diagrama del tipo mostrado en la figura siguiente. La fuente de alimentación de los circuitos de control y protección se realiza normalmente con voltajes duales y punto-a-masa central, del orden de decenas de voltios, por ejemplo +15/0/-15 V. Se representa el control de la puerta, compuesto como ya se ha descrito, con el símbolo de un amplificador genérico, el en último controlado por un mando a su vez, informó a través de optoacoplador. Para explicar cómo construir la señal que llega al sensor de voltaje, Vamos a proceder a los pasos siguientes, siempre teniendo en cuenta que el sensor mide la tensión en referencia al punto central de suministro. Como se verá, este sensor no es más que la entrada de un comparador de voltaje. El esquema es, en principio,; que en realidad tienen cambios adaptativos.

del diagrama de circuito para el control de V_CE

1 paso

con la resistencia R, conectado a la alimentación positiva, Se suministra con un sensor de tensión que se aplica:

– +V cc, o una docena Volt, con IGBT en estado OFF

– V sobre Cesate, es decir d.d.t. de IGBT y diodo D1 (Hubo Pochi), con IGBT en estado ON

De hecho, gracias a la presencia del diodo D1, conectado en serie con la resistencia y con el cátodo en el colector del IGBT, durante el estado OFF de la tensión del circuito intermedio no puede alcanzar el sensor debido a este diodo está sesgada en contra. En el estado activado en lugar conductas D1 y conecta el sensor a los líderes IGBT.

2 paso

Dado que lleva una señal voltios pocos, y que desea controlar dicha señal sólo cuando el IGBT se le ordena que el estado ON, la introducción de la diodo D2, con el ánodo conectado al sensor de voltaje y con el cátodo acoplador opto salida. Siempre y cuando se le ordena estado de OFF, o la salida del acoplador opto es baja (0 lógico), D2 lleva a cabo y por lo tanto el sensor ve sólo la caída de tensión a través de este diodo. Cuando la salida del optoacoplador pasa a nivel alto (1 lógico), D2 se corta y el sensor está conectado a través de D1 al colector del IGBT, como antes.

3 paso

También es necesario introducir un pequeño condensador do, por ejemplo, por 100 PF, para suavizar el pico de voltaje (Modesto!) que se produce en la transición de OFF a ON. En el muy corto tiempo requerido para activar el IGBT, el sensor ve entredicho D2 y D1 siendo sesgadas en contra, entonces detectar el suministro de voltaje positivo, ahora descendente. La presencia del condensador elimina el inconveniente del pico y el sensor proporciona una señal de tensión siempre limitada a unos pocos voltios. Mediante el control de esta señal ahora, y reaccionando a aumenta más allá de un cierto umbral, uno se da cuenta de la protección. Se compara el señal de voltaje así construido con una referencia (obtenido de los circuitos de control a través de la fijación de un condensador de ajuste), mediante un comparador histéresis.

De arriba a abajo:

comando en la puerta;

tensión sin C;

voltaje con C

La salida del comparador va a controlar el conjunto de entrada de un flip-flop SR, que a su vez tiene dos funciones: la salida Q sirve como retroalimentación para la lógica de control, para indicar que se ha producido un fallo, y para desencadenar una alerta visual (por ejemplo, un pequeño LED), Eso hace que sea inmediatamente reconocible l IGBT refiere: lo; especie es útil en muchos convertidores con interruptores estáticos, donde sería complicado establecer Dov; el fallo; la salida Q negada está conectado directamente a la salida del optoacoplador, con el fin de obligarla a 0 lógica tan pronto como se detecta el fallo, sin esperar a la intervención de la lógica de control: por tanto, los comandos:

la falla de apagado inmediato de IGBT. Tenga en cuenta que la señal de realimentación a la lógica de control debe causar una parada de todo el convertidor, porque si un interruptor estático permanece permanentemente abierto, un lado de la carga permanece flotando y puede haber problemas en períodos de conmutación posteriores.

– El problema del bloque IGBT en presencia de circuitos de protección de sobrecorriente En IGBT reales también tenemos que, en caso de parada de emergencia debido a una sobrecorriente, el resistor colocado en serie con el gateoff puerta R es mayor que el valor habitual. Esto se debe a que tiene la intención de limitar las causas desconexión por sobretensión en el otro IGBT inversor de la pierna, debido a la di / dt, sobretensión Puu no sea pequeña, ya que se origina a partir de una corriente más alta de lo normal. ¿Quieres apagando gradualmente el fallo IGBT sospecha, porque podría ocurrir que podemos guardarlo, pero va a causar la ruptura de otro IGBT saludable para applicatagli excesiva tensión

Creo que aclaró los aspectos confusos del artículo anterior sobre IGBT

saludos Amilcare